600kw风力发电机组风轮叶片设计方法

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1、600kw风力发电机组风轮叶片设计方法1、概述2、设计部分风力发电机组，实质上是一个风能转换系统，首先由风轮叶片将捕捉的风能转换为风轮的旋转机械能，然后由风轮驱动发电机发电。它涉及空气动力学、结构力学、结构动力学、复合材料结构力学、机械振动、复合材料工艺、疲劳强度、防雷击保护和防腐蚀保护等许多领域；风力发电机组性能、载荷、振动、稳定性等很大程度上取决于风轮叶片。因此，风轮叶片是风力发电机组的核心部件，是高科技产品。大型风力发电机组属于高科技产品，制造难度较大；长期以来，我国风电场使用的大型风力发电机组几乎全部依靠进口，每年耗费大量

2、外汇。为此，国家制订了一系列攻关计划，对大型风力发电机组的总体和关键部件进行攻关，以促进风电事业的产业化。大型风力发电机组风轮叶片技术难度大，国外只有少数国家能够设计和制造，国内尚属空白，技术垄断性很强。600kW叶片设计指导思想，以固有频率为目标，质量、刚度分布为约束，进行叶片结构铺层优化设计，最后进行叶片静强度和叶片疲劳强度校核分析。即叶片的主要设计目标为刚度分布，在满足刚度要求的前提下，对叶片的静强度和疲劳强度进行分析校核。翼型选择：选用NACA70年代公布的NACA63xxx系列层流翼型翼型升阻比高翼型失速特性好翼型对表面

3、污物不敏感经过实际使用证明-6-气动性能优化：在确定翼型的情况下，对叶片的几何外形进行优化；确定叶片最佳弦长、扭角和相对厚度分布；适合于中国风电场的实际风况最佳的能量输出600kW风力发电机组风轮叶片开发是在德国劳埃德(Lloyd)船级社《风力发电机组认证规范》、国际电工委员会IEC61400-1《风力发电机组安全要求》、丹麦Risø国家实验室提供的丹麦标准DS472及其认证要求、荷兰标准NEN6096、我国机械行业标准JB/T10194—2000《风力发电机组风轮叶片》以及国外叶片制造商能提供的有限技术信息基础上完成的。在此基础

4、上，对600kW叶片气动外形进行了优化设计。优化设计以风轮的风能利用系数Cp为目标，以年发电量为约束条件，对叶片的翼型、弦长、扭角、相对厚度等参数进行优化。优化后的风轮风能利用系数达到0.44以上。同时，采用中国直升机研究所的翼型工程数据库，并请中国直升机研究所对600kW叶片的优化外形进行了校核。通过首台样机在新疆达坂城风电场的实际运行考核，证明叶片的气动设计达到设计任务要求。叶片结构：利用Nastran软件对叶片的铺层进行仿真分析计算叶片的固有频率和振型叶片动力学特性分析，完成共振图叶片静强度分析、寿命评估。开发附加结构阻尼器

5、，有效地降低了叶片在低温环境下的振动。叶片附加结构阻尼器结构和位置均经北航振动力学实验室试验验证。600kW叶片结构铺层设计是我公司独立开发的、叶片结构铺层优化设计以叶片重量为目标，以叶片重心、叶片一阶固有频率为约束条件，对叶片结构的铺层厚度和材料进行了优化。-6-在叶片的结构铺层设计和强度分析过程中，与中国船级社科研中心合作，首次采用美国MSC公司的大型结构仿真分析软件PATRAN、NASTRAN及MSC/PATRANLAMINATEMODELER复合材料结构建模、分析软件对600kW叶片的铺层设计、强度、质量、刚度和固有频率等

6、进行了计算机仿真分析，证明叶片的设计是成功的。对于定桨距风轮叶片，在风速超过额定风速后，利用翼型的失速特性，控制风轮叶片的功率输出，叶片失速后其气动阻尼下降。另外，玻璃纤维复合材料结构叶片，在低于-20℃环境温度条件下，其结构阻尼也会下降。在低于-20℃环境温度下，在超过额定风速的某个特定运行条件下，由于复合材料叶片结构阻尼下降，运行中的叶片就会发生摆振方向瞬间抖动现象，机组的振动幅度超过振动传感器的限制值，安全系统紧急停机，带来发电损失。而我国东北、华北和西北的大部分风电场每年低于-20℃天数较多。我们分析振动产生的原因是因为摆

7、振方向的阻尼（空气阻尼和结构阻尼之和）变成负值，若空气阻尼负值比结构阻尼值大就具备摆振方向振动的条件。复合材料结构在低温（-20℃）条件下，其结构阻尼会下降，为克服结构阻尼下降，应采用相应阻尼橡胶材料构成的结构阻尼器，使结构阻尼值在低温下仍大于气动负阻尼值。针对这种情况，我们开发了一种结构阻尼器，这种结构阻尼器有较多优点，当低温时（-20℃），复合材料结构叶片自身阻尼降低，而结构阻尼器使其结构阻尼增加。当温度高时，结构阻尼器橡胶材料阻尼效果下降，而叶片本身的阻尼增加，这样，叶片在整个运行范围内所有温度都具有足够阻尼，避免振动出现。

8、另外，结构阻尼器对所有的振动频率均有效。叶片耐环境设计-6-针对我国风电场的实际环境情况，600kW叶片采用了耐环境设计，对复合材料构件、金属结构件等充分考虑了低温的影响，使叶片的最低运行温度可达到-40℃。叶尖设计：优化叶尖气动外形采用螺旋桨叶片